数据包在网络中漫游的经历

浅浅的花香味﹌ 2022-06-09 09:38 119阅读 0赞

## 前言 ##

在网络分层结构中，各层之间是严格单向依赖的。“服务”是描述各层之间关系的抽象概念，即网络中各层向紧邻上层提供的一组操作。下层是服务提供者， 上层是请求服务的用户。服务的表现形式是原语（primitive），如系统调用或库函数。系统调用是操作系统内核向网络应用程序或高层协议提供的服务原 语。网络中的n层总要向n+1层提供比n-1层更完备的服务，否则n层就没有存在的价值。  
传输层实现的是“端到端”通信，引进网间进程通信概念，同时也要解决差错控制，流量控制，数据排序（报文排序），连接管理等问题，为此提供不同的服 务方式。通常传输层的服务通过系统调用的方式提供，以socket的方式。对于客户端，要想建立一个socket连接，需要调用这样一些函数 socket() bind() connect(),然后就可以通过send()进行数据发送。

## 1. 现在看数据包在网络中的穿行过程 ##

### 1.1 应用层 ###

首先我们可以看到在应用层，根据当前的需求和动作，结合应用层的协议，有我们确定发送的数据内容，我们把这些数据放到一个缓冲区内，然后形成了应用层的报文data。

### 1.2 传输层 ###

这些数据通过传输层发送，比如tcp协议。所以它们会被送到传输层处理，在这里报文打上了传输头的包头，主要包含端口号，以及tcp的各种制信息，这些信息是直接得到的，因为接口中需要指定端口。这样就组成了tcp的数据传送单位segment。 tcp是一种端到端的协议，利用这些信息，比如tcp首部中的序号确认序号，根据这些数字，发送的一方不断的进行发送等待确认，发送一个数据段后，会开启 一个计数器，只有当收到确认后才会发送下一个，如果超过计数时间仍未收到确认则进行重发，在接受端如果收到错误数据，则将其丢弃，这将导致发送端超时重 发。通过tcp协议，控制了数据包的发送序列的产生，不断的调整发送序列，实现流控和数据完整。

### 1.3 网络层 ###

然后待发送的数据段送到网络层，在网络层被打包，这样封装上了网络层的包头，包头内部含有源及目的的ip地址，该层数据发送单位被称为packet。网络层开始负责将这样的数据包在网络上传输，如何穿过路由器，最终到达目的地址。在这里，根据目的ip地址，就需要查找下一跳路由的地址。首先在本机，要查找本机的路由表。  
**整个查找过程是这样的:**  
（1）根据目的地址，得到目的网络号，如果处在**同一个内网**，则可以直接发送。  
（2）如果不是，则**查询路由表，找到一个路由。**  
（3）如果找不到明确的路由，此时在路由表中还会有**默认网关**，也可称为缺省网关，IP用缺省的网关地址将一个数据传送给下一个指定的路由器，所以网关也可能是路由器，也可能只是内网向特定路由器传输数据的网关。  
（4）**路由器收到数据后，它再次为远程主机或网络查询路由，若还未找到路由，该数据包将发送到该路由器的缺省网关地址。**而数据包中包含一个**最大路由跳数（TCP报头中指定）**， 如果超过这个跳数，就会丢弃数据包，这样可以防止无限传递。路由器收到数据包后，只会查看网络层的包裹数据，目的ip。所以说它是工作在网络层，传输层的 数据对它来说则是透明的。  
如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。如果不能传送的数据报来自本机，那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”或 “网络不可达”的错误。

在Linux下使用：route -n命令打印路由表，可以得到

# route -n
    Kernel IP routing table
    Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
    192.57.66.200   192.168.1.1     255.255.255.255 UGH   0      0        0 eth0
    192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0
    169.254.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 eth0
    0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0

Destination：目标网络或主机。  
Gateway：网关地址。  
Genmask：目标网络的网络掩码。”255.255.255.255”表示一个主机。”0.0.0.0”表示网关。  
Flags：标记。U：路由被启用；H：目标是一个主机；G：使用网关。

网关这个概念，主要用于不同子网间的交互，当两个子网内主机A,B要进行通讯时，首先A要将数据发送到它的本地网关，然后网关再将数据发送给B所在的网关，然后网关再发送给B。  
默认网关，当一个数据包的目的网段不在你的路由记录中，那么，你的路由器该把那个数据包发送到哪里！缺省路由的网关是由你的连接上的default gateway决定的，也就是我们通常在网络连接里配置的那个值。  
通常interface和gateway处在一个子网内，对于路由器来说，因为可能具有不同的interface,当数据包到达时，根据 Network Destination寻找匹配的条目，如果找到，interface则指明了应当从该路由器的那个接口出去，gateway则代表了那个子网的网关地址。  
**一般就分这两种情况，目的地址与当前路由器接口是否在同一子网。如果是则直接发送，不需再转给路由器，否则还需要转发给下一个路由器继续进行处理。**  
查找到下一跳ip地址后，还需要知道它的mac地址，这个地址要作为链路层数据装进链路层头部。这时需要arp协议，具体过程是这样的，查找arp 缓冲，windows下运行arp -a可以查看当前arp缓冲内容。如果里面含有对应ip的mac地址，则直接返回。否则需要发生arp请求，该请求包含源的ip和mac地址，还有目的地 的ip地址，在网内进行广播，所有的主机会检查自己的ip与该请求中的目的ip是否一样，如果刚好对应则返回自己的mac地址，同时将请求者的ip mac保存。这样就得到了目标ip的mac地址。

### 1.4 链路层 ###

将mac地址及链路层控制信息加到数据包里，形成Frame，Frame在链路层协议下，完成了相邻的节点间的数据传输，完成连接建立，控制传输速度，数据完整。

### 1.5 物理层 ###

物理线路则只负责该数据以bit为单位从主机传输到下一个目的地。下一个目的地接受到数据后，从物理层得到数据然后经过逐层的解包 到 链路层 到 网络层，然后开始上述的处理，在经网络层 链路层 物理层将数据封装好继续传往下一个地址。  
在上面的过程中，可以看到有一个路由表查询过程，而这个路由表的建立则依赖于路由算法。也就是说路由算法实际上只是用来路由器之间更新维护路由表， 真正的数据传输过程并不执行这个算法，只查看路由表。这个概念也很重要，需要理解常用的路由算法。而整个tcp协议比较复杂，跟链路层的协议有些相似，其 中有很重要的一些机制或者概念需要认真理解，比如编号与确认，流量控制，重发机制，发送接受窗口。